自动控制原理第六章
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5-25 对于典型二阶系统,已知参数3=n ω,7.0=ξ,试确定截止频率c ω和相角裕度γ。
解 依题意,可设系统的开环传递函数为)12.4(143.2)37.02(3)2()(22+=⨯⨯+=+=s s s s s s s G n n ξωω绘制开环对数幅频特性曲线)(ωL 如图解5-25所示,得143.2=c ω︒=+︒=63)(180c ωϕγ5-26 对于典型二阶系统,已知σ%=15%,s 3=s t ,试计算相角裕度γ。
解 依题意,可设系统的开环传递函数为)2()(2n ns s s G ξωω+=依题 ⎪⎩⎪⎨⎧====--n s o o o o t e σξξπ5.331521联立求解 ⎩⎨⎧==257.2517.0nωξ有 )1333.2(1824.2)257.2517.02(257.2)(2+=⨯⨯+=s s s s s G绘制开环对数幅频特性曲线)(ωL 如图解5-26所示,得1824.2=c ω︒=+︒=9.46)(180c ωϕγ5-27 某单位反馈系统,其开环传递函数 G s ss s s ().(.)(.)(.)=+++1670810251006251试应用尼柯尔斯图线,绘制闭环系统对数幅频特性和相频特性曲线。
解 由G(s)知:20lg16.7=24.5db 交接频率:ω1108125==.. , ω210254==. , ω310062516==.图解5-27 Bode 图 Nyquist 图5-28 某控制系统,其结构图如图5-83所示,图中 )201(8.4)(,81)1(10)(21s s s G ss s G +=++=试按以下数据估算系统时域指标σ%和t s 。
(1)γ和ωc(2)M r 和ωc(3)闭环幅频特性曲线形状 解 (1) )201)(81()1(48)()()(21ss s s s G s G s G +++==db 6.3348lg 20= 20,1,125.081321====ωωω065,6≈=∴γωc查图5-56 得 13.16.6,%21%===CS t ωσ秒(2) 根据M r ,ωC 估算性能指标 当 ω=5 时: L(ω)=0, ϕ(ω)=-111°找出: )65(,103.1sin 1===r rM r , ωC =6 查图5-62 得 13.18.6,%21%===CS t ωσ秒(3) 根据闭环幅频特性的形状ω 0.3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 L(db) 36 18 9.5 5 3 0 -2 -4 -5 -7 -20 ϕ(°) -142.5 -130 -118.5 -114 -111 -111 -112.5 -115.5 -118.5 -124 -148 M(db) 0 0.68 1 1.05 0 1.1 -2.1 -3.3 -4 -5.5 -19.3令 M M r 01113==. 或)(05.1dB M r = f f f f b a a====721023241196πππ,,,. N M f M a ===()..411911190 79.0113.110706=⋅=⋅=M M f f F r aσ%[()]%%=+=411710Ln NFt F f S a=-=2160406...秒5-29 已知控制系统结构图如图5-84所示。
当输入t t r sin 2)(=时,系统的稳态输出)45sin(4)(︒-=t t c s 。
试确定系统的参数n ωξ,。
解 系统闭环传递函数为2222)(nn ns s s ωξωω++=Φ 令2244)()1(222222==+-=Φn n n j ωξωωω ︒-=--=Φ∠4512arctan )1(2n n j ωξω联立求解可得 244.1=n ω,22.0=ξ。
5-30 对于高阶系统,要求时域指标o o 18=σ,s t s 05.0=,试将其转换成频域指标。
解 根据近似经验公式 )1sin 1(4.016.0-+=γσo ocs K t ωπ0=20)1sin 1(5.2)1sin 1(5.12-+-+=γγK 代入要求的时域指标可得5.11)16.0(4.01sin 1=+-=ooσγ︒=8.41γ 375.30=K)rad/s (1.2120==sc t K πω所求的频域指标为︒=8.41γ,1.212=c ω。
5-31 单位反馈系统的闭环对数幅频特性如图5-85所示。
若要求系统具有30°的相角裕度,试计算开环增益应增大的倍数。
解 由图5-85写出闭环系统传递函数)15)(125.1)(1(1)(+++=Φss s s系统等效开环传递函数)1425.4)(1825.2(5.0)425.4)(825.2(25.6)(1)()(++=++=Φ-Φ=s s s s s s s s s G可知原系统开环增益5.0=K 。
令相角裕度 425.4arctan 825.2arctan90)(180111c c c ωωωϕγ--︒=+︒==30°有732.1605.121425.4825.22111=︒=-+tg c c c ωωω 整理可得 05.12186.4121=-+c c ωω 解出 1102.2K c ==ω所以应增大的放大倍数为 04.45.002.21==K K 。
5-32 设有单位反馈的火炮指挥仪伺服系统,其开环传递函数为G s Ks s s ()(.)(.)=++021051 若要求系统最大输出速度为2(/min)r ,输出位置的容许误差小于2o,试求:(1)确定满足上述指标的最小K值,计算该K值下系统的相角裕度和幅值裕度; (2)在前向通路中串接超前校正网络G s s s c ()..=++0410081计算校正后系统的相角裕度和幅值裕度,说明超前校正对系统动态性能的影响。
解 (1)确定满足C Max =2(转/分)=120/秒和e ss ≤20的K h ,,γ:K K C e V Maxss==≥6(1/秒) )15.0)(12.0(6)(++=s s s s G作系统对数幅频特性曲线如图解5-32(a)所示: 由图可知 46.362=⨯=cωγωω'.'.'.=--=-90020538oc c oarctg arctg 算出相角交界频率 ωg '.=32201lg '()h dB =-(2)超前校正后系统开环传递函数为 G s G s s s s s s c ()()(.)(.)(.)(.)=++++60410081021051作校正后系统对数幅频特性曲线如图解5-32(b)所示,由图得:25.26=''c ω, 8.45.226=⨯=''c ωγωωωω".".".".".=+---=90040200805225o c c c c oarctg arctg arctg arctg 算出 ωg ".=73, 371.2=''h , 2075lg ".h dB =。
说明超前校正可以增加相角裕度,从而减小超调量,提高系统稳定性;同时增大了截止频率,缩短调节时间,提高了系统的快速性。
5-33 设单位反馈系统的开环传递函数为)1()(+=s s Ks G试设计一串联超前校正装置,使系统满足如下指标: (1)在单位斜坡输入下的稳态误差151<ss e ; (2)截止频率ωc ≥7.5(rad/s);(3)相角裕度γ≥45°。
解 依e ss 指标:e K K ss v ===11115∴ K =15画未校正系统的开环对数幅频特性如图解5-33所示。
依图可得:ωc ==153873.校正前系统相角裕度:c c j G ωωγarctan 90180)(180 000--=∠+=48.14873.3arctan 90=-=定ωc ".=75,作图得:b dBAB dB ==1148115.(.) 作图使:AC AB dB ==115. , 过C 点作20dB/dec 直线交出D 点(ωD =2),令(DC CE =)得E 点(ωE =28125.)。
这样得出超前校正环节传递函数:1125.2812)(++=ss s G c 且有:ωωm c ==".75校正后系统开环传递函数为:G s G s s s s s c ()().()⋅=++⋅+21281251151验算:在校正过程可保证: e K ss v ==1115ωc rad s ".(/")=75γωω"(")("}=-∠1800G G c c c=-+--=>1809022812567732450000arctg arctg arctg c c c ωωω"".". 全部指标满足要求。
5-34 设单位反馈系统的开环传递函数为G s Ks s s ()()(.)=++10251要求校正后系统的静态速度误差系数Kv ≥5(rad/s),相角裕度γ≥45°,试设计串联迟后校正装置。
解 )14)(1()(++=ss s Ks G (I 型系统)取 5==v K K校正前 236.25==c ω︒-=+︒=12.5)(180c ωϕγ (系统不稳定)采用串联迟后校正。
试探cω',使︒=︒+︒='50545γ 取8.01=ω ︒=+︒=03.40)8.0(180)8.0(ϕγ 取5.02=ω ︒=+︒=3.56)5.0(180)5.0(ϕγ 取6.03=ω ︒=+︒=57.50)6.0(180)6.0(ϕγ取 6.03=='ωωc过6.0='cω作BC ,使BA AC =;过画水平线定出D )06.01.0(='⨯=c D ωω;过D 作-20dB/dec 线交0dB 线于E )0072.0(=E ω。
可以定出校正装置的传递函数10072.0106.011)(++=++=s ss ss G E D c ωω 校正后系统开环传递函数 )10072.0)(14)(1()106.0(5)()(++++=⋅ss s s s s G s G c验算: ︒>︒=''∠+︒='4556.45)()(180c cc j G j G ωωγ5-35 设单位反馈系统的开环传递函数为G s s s s ()(.)(.)=++40021006251(1)若要求校正后系统的相角裕度为30°,幅值裕度为10~12(dB),试设计串联超前校正装置;(2)若要求校正后系统的相角裕度为50°,幅值裕度为30~40(dB),试设计串联迟后校正装置。